氧化锌纳米结构的制备及光学、磁学、光催化性质研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种重要的直接带隙半导体材料,禁带宽度3.37eV激子束缚能60meV。由于其宽的带隙、高的激子束缚能、优良的压电性质、大的比表面积和作为半导体的特点,纳米氧化锌在紫外激光器件、光电探测器、日用化工、医药卫生、环境保护等领域具有广阔的应用前景。研究表明,氧化锌纳米结构的性质随相应的制备方法、实验条件表现出很大的差异性。本文重点关注氧化锌纳米结构光致发光、光催化和磁学性质的探讨,并通过相应的实验手段分析了其微观机理,取得了如下重要的实验结果。1在ZnO纳米晶中引入缺陷发光中心是制备强的可见光发光ZnO纳米材料的关键。考虑到Mg2+和Zn2+离子半径比较接近和ZnO两性化合物的特点,我们采用共沉淀法在低温条件下制备了Mg掺杂ZnO纳米晶并系统地研究了Mg掺杂对ZnO纳米晶结构、形貌和光致发光性质的影响。实验发现Mg掺杂增强了ZnO纳米晶的绿光发光,当Mg掺杂浓度为20%时,纳米晶的量子产率达到了22.8%。EPR、XRD、Uv-Vis等实验数据表明Mg掺杂在ZnO纳米晶中引入了锌空位（Vzn）和镁填隙（IMg）缺陷,理论分析表明,ZnO纳米晶强的可见光发光来自电子在对应缺陷能级和ZnO价带问的跃迁。2 ZnO纳米颗粒的磁学性质随制备条件表现出很大的差异性。为探究缺陷对ZnO纳米颗粒磁学性质的影响,我们采用共沉淀法制备了纯的和不同掺杂比例的Mg、Co掺杂ZnO纳米颗粒,对其做了不同条件的退火处理,探究了掺杂比例、退火条件对其磁学性质的影响。实验发现纯的、Mg掺杂的ZnO纳米颗粒表现出弱的铁磁性,而Co掺杂和Mg、Co共掺杂的ZnO纳米颗粒却表现出顺磁性,氮气条件退火后的Mg掺杂ZnO纳米颗粒表现出较强的铁磁性。理论分析表明,ZnO纳米颗粒的铁磁性与氧缺陷有关,Co2+离子3d电子的非铁磁性交换相互作用强于该实验体系下锌空位、氧空位等缺陷铁磁性交换作用。3人的比表面积、少的表面基团是提高ZnO光催化活性的要点,为此我们探索采用简易的煅烧法制备了ZnO纳米颗粒并探究了煅烧条件对其光催化性质的影响,实验发现600℃煅烧条件下制备的ZnO纳米颗粒C轴择优取向生长最佳,这种特殊的结构有比较大的（0001）（0001）表面积,具有最佳的光催化活性,光催化效果也最好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料的概念及性质
• 1.2 ZnO纳米材料的应用
• 1.2.1 纳米ZnO在电子器件中的应用
• 1.2.2 纳米ZnO在光催化剂方面的应用
• 1.2.3 纳米ZnO在日用化工中的应用
• 1.2.4 纳米ZnO在橡胶工业中的应用
• 1.2.5 纳米ZnO在磁性半导体材料中的应用
• 1.2.6 纳米ZnO在医药卫生中的应用
• 1.3 纳米ZnO研究进展
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 纳米ZnO的结构、性能、制备方法与表征手段
• 2.1 ZnO的晶体结构
• 2.2 ZnO的能带结构
• 2.3 ZnO的物理、化学性质
• 2.4 纳米ZnO的常用制备方法
• 2.5 纳米ZnO的常用表征手段
• 2.6 本章小结
• 第三章 镁掺杂氧化锌纳米晶的制备与光学性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 样品制备
• 3.2.3 实验仪器和设备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纳米晶的结构和形貌表征
• 2+掺杂浓度的变化'>3.3.2 纳米晶吸收光谱随Mg²⁺掺杂浓度的变化
• 2+掺杂模式的讨论'>3.3.3 Mg²⁺掺杂模式的讨论
• 2+掺杂ZnO纳米晶的荧光光谱、激发光谱和量子产率'>3.3.4 Mg²⁺掺杂ZnO纳米晶的荧光光谱、激发光谱和量子产率
• 3.3.5 退火Mg掺杂ZnO纳米晶样品的荧光光谱和XRD结构表征
• 2+掺杂ZnO纳米晶的电子顺磁共振谱分析'>3.3.6 Mg²⁺掺杂ZnO纳米晶的电子顺磁共振谱分析
• 3.3.7 Mg掺杂ZnO纳米晶的强绿光发射机理分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 纯氧化锌、镁、钴掺杂氧化锌纳米颗粒的磁学性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 样品制备
• 4.2.3 实验仪器和设备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纯ZnO纳米颗粒的结构和磁学性质
• 2+掺杂ZnO纳米颗粒的结构和磁学性质'>4.3.2 Co²⁺掺杂ZnO纳米颗粒的结构和磁学性质
• 2+掺杂ZnO纳米颗粒的结构和磁学性质'>4.3.3 Mg²⁺掺杂ZnO纳米颗粒的结构和磁学性质
• 2+、Mg²⁺共掺杂ZnO纳米颗粒的结构和磁学性质'>4.3.4 Co²⁺、Mg²⁺共掺杂ZnO纳米颗粒的结构和磁学性质
• 4.4 本章小结
• 第五章 氧化锌纳米颗粒的煅烧法制备及光催化性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂
• 5.2.2 样品制备
• 5.2.3 实验仪器和设备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 ZnO纳米颗粒的结构和形貌表征
• 5.3.2 ZnO光催化机理
• 5.3.3 ZnO纳米颗粒的光催化性能
• 5.4 本章小结
• 总结与建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢